شرح مفصل لأجهزة القياس ذات النواة المتحركة (الفولتميتر والأميتر)

المقدمة

أجهزة القياس ذات النواة المتحركة (Moving Iron Instruments) تُعد من بين أكثر الأدوات شيوعاً في قياس الجهد والتيار في الدوائر الكهربائية، سواءً كانت تياراً مستمراً (DC) أو متردداً (AC). تعتمد هذه الأجهزة على مبدأ الحركة الناتجة عن تفاعل مجالات مغناطيسية، مما يجعلها متينة ودقيقة في قياس كميات الكهرباء. في هذا المقال، سنستعرض مبدأ عملها، أنواعها، مكوناتها الأساسية، مميزاتها، عيوبها، وتطبيقاتها العملية.

1. مبدأ العمل

تعمل أجهزة النواة المتحركة بناءً على مبدأ التنافر أو التجاذب بين قطعتي حديد موضوعتين داخل مجال مغناطيسي ناتج عن التيار المار في ملف. هناك نوعان رئيسيان من هذه الأجهزة:

أ. نوع التجاذب (Attraction Type)

يتكون من قطعة حديد متحركة تنجذب نحو ملف يحمل التيار المراد قياسه.
عندما يمر التيار في الملف، يتولد مجال مغناطيسي يجذب القطعة الحديدية، مما يؤدي إلى تحرك المؤشر على التدريج.

ب. نوع التنافر (Repulsion Type)

يتكون من قطعتين من الحديد، واحدة ثابتة والأخرى متحركة.
عند مرور التيار، تتولد قطبية مغناطيسية متشابهة في القطعتين، مما يسبب تنافراً بينهما وحركة المؤشر.

في كلا النوعين، تكون قيمة الانحراف متناسبة مع مربع التيار، مما يجعل هذه الأجهزة مناسبة لقياس التيار المتردد (AC) حيث لا يعتمد الانحراف على اتجاه التيار.

2. المكونات الأساسية

تتكون أجهزة النواة المتحركة من العناصر التالية:

الملف (Coil):

يُصنع من سلك معزول، ويمر عبره التيار المراد قياسه (في حالة الأميتر) أو يتصل على التوازي (في حالة الفولتميتر).
عند مرور التيار، يتولد مجال مغناطيسي يتفاعل مع النواة الحديدية.

النواة المتحركة (Moving Iron):

قطعة حديد خفيفة الوزن متصلة بنظام المؤشر.
تتحرك نتيجة التجاذب أو التنافر المغناطيسي.

النواة الثابتة (Fixed Iron) – في نوع التنافر:

قطعة حديد ثابتة تتفاعل مع النواة المتحركة.

نظام الإرجاع (Control System):

يستخدم زنبرك (نابض) أو وزن موازن لإعادة المؤشر إلى الصفر عند انقطاع التيار.

المخمد (Damping System):

يُستخدم لتخفيف التذبذبات، إما بواسطة مخمد هوائي (مكبس في أسطوانة) أو مخمد كهربائي (لوح معدني يتحرك في مجال مغناطيسي).

المؤشر والمقياس (Pointer & Scale):

مؤشر متصل بالنواة المتحركة يشير إلى قيمة التيار أو الجهد على تدريج مدرج.

3. أنواع أجهزة النواة المتحركة

أ. أميتر النواة المتحركة (Moving Iron Ammeter)

يتصل على التوالي مع الحمل.
يُستخدم لقياس التيار المتردد (AC) نظراً لعدم تأثره باتجاه التيار.
نطاق القياس يمكن توسيعه باستخدام محولات تيار (Current Transformers) للتيارات العالية.

ب. فولتميتر النواة المتحركة (Moving Iron Voltmeter)

يتصل على التوازي مع الدائرة.
يحتوي على مقاومة مضاعفة (Multiplier Resistor) لتقليل التيار المار في الملف.
مناسب لقياس الجهد المتردد (AC) في نطاقات مختلفة.

4. المعادلات الرياضية

يعتمد عزم الانحراف (Deflecting Torque) في أجهزة النواة المتحركة على العلاقة:
T_d∝I²

حيث:

( Td ) = عزم الانحراف.
( I ) = التيار المار في الملف.

ونظراً لأن العزم يعتمد على مربع التيار، فإن الجهاز يعمل بنفس الكفاءة في التيار المتردد (AC) والمستمر (DC).

5. المميزات والعيوب

أ. المميزات

بسيطة ومتينة في التصميم.
تعمل على كل من AC وDC، لكنها أكثر شيوعاً في قياس AC.
غير مكلفة مقارنةً بأجهزة القياس الأخرى.
لا تحتاج إلى مصدر خارجي للطاقة.

ب. العيوب

غير خطية (التدريج غير متساوٍ بسبب اعتماد الانحراف على ( I^2 )).
تتأثر بالتغيرات في التردد (في حالة AC).
تستهلك طاقة أعلى مقارنةً بأجهزة القياس الرقمية الحديثة.

6. التطبيقات العملية

تُستخدم أجهزة النواة المتحركة في:

لوحات توزيع الكهرباء (Switchboards).
أنظمة القياس الصناعية.
أجهزة قياس الجهد والتيار في المحركات والمحولات.
المختبرات الكهربائية للقياسات التقريبية.

الخاتمة

تُعد أجهزة القياس ذات النواة المتحركة من الأدوات الأساسية في الهندسة الكهربائية نظراً لمرونتها وقدرتها على العمل في ظروف مختلفة. على الرغم من ظهور أجهزة رقمية أكثر دقة، إلا أنها لا تزال مستخدمة في التطبيقات التي تتطلب متانة وسهولة صيانة. يُنصح باستخدامها في القياسات التقريبية للتيار المتردد والجهد في الأنظمة الكهربائية.